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離岸風能創新需求評估 Energy Innovation Needs Assessment : Offshore Wind
2019/10
Department for Business, Energy & Industrial Strategy (BEIS)
https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/845662/energy-innovation-needs-assessment-offshore-wind.pdf
在再生能源的應用類型中,陸域風電與太陽能已具備技術成熟及商轉實力;其中,陸域風電之發電成本已趨近燃煤發電,因此可有效降低對進口燃料的依賴,強化能源自主。然而,陸域優良風場開發已面臨飽和,因此發電量更為優異與穩定的離岸風電近年來已成為多國能源發展的主軸。

隨著離岸風電海事工程與風機技術的進展,離岸風電前期之資本支出(capital expenditure, CAPEX)與營運支出(operating expense, OPEX)均出現降幅,成為產業邁向商業化的核心助力,使得離岸風電邁向成熟產業聚落之前景指日可待。文章摘錄自英國商業、能源及產業策略部所出版之報告,內容主要評估離岸風力關鍵成本,透過成本結構列出應優先聚焦的項目,再以創新為導向佈局技術路徑,從而優化系統運作效能以達降低成本的目標。

發電成本為電力技術競爭力之核心評估指標,通常以「發電均化成本」(Levelized Cost of Electricity)來計算,意指一座發電廠在生命週期間發電之平均成本。因此,降低發電均化成本是離岸風電產業發展之關鍵,且離岸風電為資本與技術雙重密集的產業鏈, 相較陸域風機,離岸風機另有水下工程的繁瑣工序,高昂的施工成本削弱離岸風電之競爭力,以下介紹其主要關鍵成本。

一、離岸風力六大關鍵成本
(一)電廠輔助設備:意指除了風機之外的風場基礎設施,例如:電氣設備裝置、海底電纜、離岸變電站設備、金屬構件等。
(二)營運與維護:包括風場施工前與電廠營運週期內的所有服務,像是:場勘、環評、海權與漁權協商、風場規劃;以及後續管理所衍生出之營運、設備維護與技術等相關成本。一旦風場開始調整測試後,離岸設備需要定期檢修維護,成為風場在營運週期內的固定成本。
(三)安裝:包含上述所有組件之安裝,以及過程中所需之船舶離、靠港作業、物流與周邊支持服務。
(四)風機:包括採購渦輪機、葉片和塔架之成本。
(五)基座:基座承載風機主體結構,為成本結構中的主要支出。離岸風機固定於海床上,基座之建設成本與工程難度隨海域深度增加。浮動式基座雖有成本上的優勢,不需固定於海床,但單純以浮力支撐風機機組重量,在技術上需能克服因波幅引起之傾斜、方向變動與搖晃,因此技術上需持續創新才能兼具穩定與適用商業化佈局。
(六)除役:包含所有設備在風場營運週期結束後之善後事宜,包括港口拆卸和運送物流、海上作業、海底打撈、廢棄物處理回收管理之支出。
由此可知,洞悉成本結構與內涵是降低成本的基石,離岸風電成本模型如表所示,不管是固定式或浮動式,前三大成本項目依序皆為:營運與維護、風機和基座。
以風機與電廠輔助設備為例,兩者總和所代表的系統成本占比較高,意味著若系統整合成效不彰,將導致每GWh的成本顯著增加; 若系統性能提升,容量因數(Capacity Factors, CF)也將隨之提高,產能利用率則上升。因此,經由各項成本評估列出應優先聚焦的創新技術,以提升系統運作效能從而降低成本,將有利於長程商業化之佈局。

二、離岸風力應優先聚焦的創新技術:
(一)電網整合勢在必行:落實電網整合將有效降低離岸風電系統成本與遠距輸送電力之耗損,也就是當離岸電力能大容量併接輸電系統,就可成為離岸風電佈局之利基,其電網整合技術創新與佈局路徑如下:
1. 改善長距離傳輸之耗損:在長距離傳輸電力的過程中,大部分電能將面臨耗損,如何提高長距離輸電效率,成為風電產業投資的最大考量。高壓直流 ( converted to high-voltage direct current,HVDC)技術透過升高電壓,降低電流來減少輸電過程中的電能損失,成為離岸風電傳輸大量電力的首選技術。
2. 落實電網整合:隨著離岸風電在發電結構的占比增加,其產出電力會逐步併入電網運作,併網工程包含升壓站與開閉所等項目,使電力能順利輸送。因此,應持續推動發展離岸電力併網、變電站與電力傳輸等技術,來提高離岸風電之併網量。
3. 發展離岸風電儲能系統選項:再生能源必須透過儲能系統與電網整合,供電品質才能更趨穩定。 儲能系統能調節離岸風電併網後之輸配電,並針對電網需求執行電力調度。就離岸風電而言,儲能創新技術為在離岸區域製氨,並透過既有離岸管線傳輸,氨是優秀的氫氣載體與替代燃料選擇。除了降低離岸區到陸域的輸送風險,還能結合利用現有的石油和天然氣管線與其他基礎設施。

(二)優化物流、安裝、智慧營運維護與遠端管理:透過技術創新來降低離岸風電營運風險和維護成本,進而具體降低發電均化成本,其創新技術與佈局如下:
1. 善用風況模擬:透過海上建模預測以確實掌握風況,於此進行更準確的預測有助於提高風場產量,以減少不確定因素所衍生之風險。
2. 應用無人化檢修技術:隨著風場離岸越來越遠,風機尺寸龐大,無人化檢修的普及為必然趨勢,無人機上的探測儀器能即時回傳影像或訊號,除了定期巡檢進行狀態監測(例如:檢測出葉片瑕疵),更能彙整出缺陷報告,以做為預警管理。
3. 創新安裝技術:像是自安裝風機技術(Self-Installing Turbine),意指零組件可先在港口分部小規模預組裝,減少海象影響工程進度。不需傳統大型工作船,可小規模預組裝後再運送至安裝點,執行自安裝(Self-Installing)作業。
4.建立標準化作業流程與模組化組裝技術:要能落實上述的小規模預組裝,標準化作業流程與組裝模組化技術的建立皆為必要環節,除了有效降低成本,組裝模組化也有助於減少裝配廠之基礎設施規模。
5. 完善風場除役計畫:風場完成後進入20至25年的維運期,最後執行除役,流程包含風機、水下基座、海上與陸地變電站、海底與陸域電纜等拆卸工作,拆卸完的零件將再回收或另作處置,減少廢棄物對於環境的衝擊與強化料源供應鏈彈性。

(三)致力研發新一代風機:風機產業在複合材料、主控電氣系統與傳動系統研發上的成果,將可持續應用於新一代風機,包含:葉片技術與複合材料之創新、優化風機零組件與發展符合更高電壓條件的電氣設備,其創新技術與佈局如下:
1. 邁向低風速風機:低風速風機的研發趨勢, 伴隨而來的是葉片尺寸與塔架高度增加,藉此擷取更多風能,進而提高發電效率。
2. 持續推動基座技術發展與創新:基座最主要的步驟就是銲接,海浪與風機運轉的機械振動,都會對銲接節點產生耗損,進而影響結構壽命。因此,焊接技術的精進、組件材料輕量化、簡化安裝工序皆為研發重點,以期在未來能突破現有最大風機尺寸限制。

(四)浮動式離岸風電技術發展:浮動技術適用於風速高但深度無法以固定基座安裝之海域;浮動技術有助於拓展離岸風電佈局,使其能觸及與利用更高風速的資源,且無須進行大規模的海事工程,其創新技術與佈局如下:
1. 強化錨繫系統:浮動式風機以浮台錨定於海床,不需打樁、不受水深影響,隨著浮動式風機邁向大尺寸,風場位置亦朝向更深與湧急的水域開發,繫泊設備需力求提高穩定度與成本效益,技術創新將聚焦於研發彈性更佳的繫纜材質,以適用於水深達100-150公尺之水域。
2.優化浮動式基座:技術創新除了持續開發更具成本優勢的基座零組件,也需致力於改善系統組裝技術與工序,避免在船運前進行大規模組裝零組件,導致船隻翻覆與海事工程吊掛不易之風險。
3.穩定動態海纜(Dynamic Cables)品質:浮動式基樁採用動態海纜,海場內的陣列海纜(array cables)連接離岸風機及陸域電網,為離岸電網核心組件,當海纜長度越長製造難度也更加艱鉅,因此佈纜技術與纜線材質改善則為關鍵。
陳霈
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